Cảm biến nhiệt độ là gì? Phân loại và ứng dụng của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là gì? Phân loại và ứng dụng của cảm biến nhiệt độ

1. Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được sử dụng để đo lường sự thay đổi về nhiệt độ của các đối tượng cần kiểm soát và ổn định về nhiệt.

Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu và truyền tín hiệu về các bộ đọc. Bộ đọc sẽ xử lý và quy đổi giá trị nhiệt độ thành một con số cụ thể, hiển thị cho người dùng.

Cảm biến nhiệt được thiết kế để thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với các phương pháp đo truyền thống bằng cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế. Chính vì vậy, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao trong các phép đo, như ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải, vật liệu nhựa,...

Một số loại cảm biến nhiệt độ phổ biến bao gồm can nhiệt J, K, T, E và đầu dò PT100. Chúng được sử dụng rộng rãi vì khoảng nhiệt độ đo của chúng phù hợp với nhiều ứng dụng hàng ngày. Các loại can nhiệt B, R, S ít được sử dụng hơn vì chúng thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ cao.

2. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ

• Trong ngành chế biến thực phẩm: Cảm biến nhiệt độ được dùng để theo dõi và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình chế biến, bảo quản thực phẩm, đảm bảo chất lượng và an toàn vệ sinh. Ví dụ, trong các nhà máy sản xuất sữa, bia, nước giải khát, cảm biến nhiệt độ giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình lên men, tiệt trùng.

• Trong ngành dược phẩm: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong sản xuất và bảo quản thuốc. Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ trong các công đoạn sản xuất thuốc, đảm bảo chất lượng và hiệu quả của thuốc.

• Trong ngành hóa chất: Nhiều phản ứng hóa học cần được kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ. Cảm biến nhiệt độ giúp theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong các quá trình hóa học, đảm bảo an toàn và hiệu suất.

• Trong ngành sản xuất ô tô: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong quá trình sản xuất động cơ, hộp số và các bộ phận khác của ô tô. Chúng giúp kiểm soát nhiệt độ trong quá trình gia công, xử lý nhiệt, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.

• Trong ngành hàng hải: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của động cơ, hệ thống làm mát và các hệ thống khác trên tàu. Điều này giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của tàu.

• Trong ngành vật liệu nhựa: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất và gia công nhựa. Cảm biến nhiệt độ giúp kiểm soát nhiệt độ trong quá trình ép phun, ép đùn, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm nhựa.

Ngoài ra, cảm biến nhiệt độ còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như:

• Ngành điện tử: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các thiết bị điện tử để bảo vệ chúng khỏi quá nhiệt.

• Ngành năng lượng: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các nhà máy điện để theo dõi nhiệt độ của lò hơi, turbin và các thiết bị khác.

• Ngành xây dựng: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của bê tông trong quá trình xây dựng các công trình.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

3.1. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

• Bộ phận cảm biến (Sensing Element):

  • Đây là bộ phận cốt lõi của cảm biến, trực tiếp tiếp xúc với môi trường cần đo nhiệt độ.

  • Nhiệm vụ của nó là chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành một tín hiệu vật lý (thường là tín hiệu điện).

  • Có nhiều loại bộ phận cảm biến khác nhau, mỗi loại có nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng: 

    • Cặp nhiệt điện (Thermocouple): Sử dụng hiệu ứng nhiệt điện để tạo ra điện áp tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây kim loại khác nhau.

    • Nhiệt điện trở (RTD - Resistance Temperature Detector): Dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại (thường là bạch kim) theo nhiệt độ.

    • Thermistor: Sử dụng sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn theo nhiệt độ.

• Dây dẫn kết nối (Connecting Wires):

  • Dùng để kết nối bộ phận cảm biến với mạch xử lý tín hiệu.

  • Số lượng dây dẫn có thể khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến (2, 3 hoặc 4 dây).

  • Chất liệu dây dẫn phải phù hợp với điều kiện môi trường và nhiệt độ làm việc.

• Vật liệu cách điện (Insulating Material):

  • Đảm bảo cách điện giữa các dây dẫn và vỏ bảo vệ, ngăn ngừa đoản mạch.

  • Vật liệu cách điện thường là gốm, sứ hoặc các vật liệu chịu nhiệt khác.

• Chất làm đầy (Filling Material):

  • Lấp đầy khoảng trống bên trong vỏ bảo vệ, bảo vệ bộ phận cảm biến khỏi rung động và va đập.

  • Chất làm đầy thường là bột alumina mịn, được sấy khô và rung chặt.

• Lớp vỏ bảo vệ (Protective Sheath):

  • Bảo vệ bộ phận cảm biến và dây dẫn khỏi các tác động bên ngoài như hóa chất, va đập, nhiệt độ cao.

  • Vỏ bảo vệ thường được làm bằng thép không gỉ, chịu được môi trường khắc nghiệt.

• Đầu kết nối (Connector):

  • Cho phép kết nối cảm biến với mạch xử lý tín hiệu một cách dễ dàng và chắc chắn.

  • Đầu kết nối thường được làm bằng vật liệu cách điện như gốm, chứa các bảng mạch để kết nối điện trở.

  • Đối với các ứng dụng đặc biệt, có thể tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu (ví dụ: từ 4-20mA) ngay trong đầu kết nối.

• Các bộ phận khác (Optional Components):

  • Đầu dò (Probe): Để đo nhiệt độ tại một điểm cụ thể, thường được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ chất lỏng hoặc khí.

  • Ống bảo vệ (Thermowell): Bảo vệ cảm biến khỏi áp suất cao hoặc dòng chảy mạnh của chất lỏng hoặc khí.

  • Bộ lọc (Filter): Loại bỏ các tín hiệu nhiễu, giúp cải thiện độ chính xác của phép đo.

3.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ

• Tiếp nhận biến đổi nhiệt độ:

  • Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc trực tiếp với môi trường hoặc đối tượng cần đo nhiệt độ.

  • Bộ phận cảm biến sẽ "cảm nhận" sự thay đổi nhiệt độ này.

• Chuyển đổi thành tín hiệu vật lý:

  • Sự thay đổi nhiệt độ sẽ được chuyển đổi thành một tín hiệu vật lý tương ứng.

  • Tín hiệu này có thể là sự thay đổi điện trở, điện áp, hoặc một số tính chất vật lý khác.

• Xử lý tín hiệu:

  • Tín hiệu vật lý sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện để dễ dàng xử lý.

  • Mạch điện tử sẽ khuếch đại, lọc và chuẩn hóa tín hiệu này.

• Hiển thị kết quả:

  • Tín hiệu điện sau khi được xử lý sẽ được hiển thị dưới dạng số hoặc dạng tương tự trên màn hình hoặc thiết bị hiển thị.

  • Người dùng có thể đọc và theo dõi nhiệt độ của môi trường hoặc đối tượng.

• Ví dụ:

  • Cặp nhiệt điện (Thermocouple): Dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây kim loại khác nhau, sẽ xuất hiện một điện áp nhỏ. Điện áp này tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ.

  • Nhiệt điện trở (RTD): Dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng theo.

  • Thermistor: Sử dụng sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn theo nhiệt độ. Thermistor có độ nhạy cao, nhưng phạm vi đo nhiệt độ hẹp hơn so với RTD và Thermocouple.

4. Các thông số khi lựa chọn cảm biến nhiệt độ

• Phạm vi đo nhiệt độ

  • Đây là yếu tố quan trọng hàng đầu, cho biết cảm biến có thể đo được nhiệt độ trong khoảng nào.

  • Các cảm biến nhiệt độ có phạm vi đo rất đa dạng, từ -100°C đến 600°C, thậm chí có những loại có thể đo được nhiệt độ cao hơn.

  • Người dùng cần xác định rõ khoảng nhiệt độ cần đo để lựa chọn cảm biến phù hợp.

• Sai số

  • Sai số là độ lệch giữa giá trị đo được của cảm biến và giá trị thực tế.

  • Sai số càng nhỏ thì độ chính xác của cảm biến càng cao.

  • Các cảm biến hiện nay thường có chuẩn sai số là 0.1°C, 0.15°C hoặc 0.3°C.

  • Tại Việt Nam, chuẩn sai số 0.3°C là phổ biến.

• Chiều dài cảm biến

  • Chiều dài cảm biến phụ thuộc vào vị trí và cách thức lắp đặt.

  • Các kích thước phổ biến bao gồm 50mm, 100mm, 200mm, 300mm,... cho đến 1000mm.

• Ren kết nối

  • Ren kết nối giúp cố định cảm biến vào vị trí cần đo.

  • Có nhiều loại ren kết nối khác nhau, bao gồm: 

    • Ren ngoài: G 1/8", G 1/4", G 1/2"

    • Ren trong: G 1/4", G 1/2"

    • Kiểu kết nối Clamp (thường dùng trong ngành thực phẩm)

    • Kiểu kết nối mặt bích (chịu áp suất cao)

• Đường kính cảm biến

  • Đường kính cảm biến thường nhỏ gọn để dễ dàng lắp đặt và đo ở những vị trí khác nhau.

  • Kích thước phổ biến là 6mm, 8mm và 10mm.

5. Phân loại cảm biến nhiệt độ

5.1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây kim loại khác nhau, sẽ xuất hiện một điện áp.

• Ưu điểm:  

  • Phạm vi đo nhiệt độ rộng (từ -200°C đến 2000°C).

  • Độ bền cao, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

  • Giá thành rẻ.

• Nhược điểm: 

  • Độ chính xác không cao bằng các loại cảm biến khác.

  • Cần bù nhiệt độ ở đầu lạnh.

• Ứng dụng:  

  • Đo nhiệt độ trong công nghiệp (lò nung, lò hơi,...)

  • Đo nhiệt độ khí thải.

  • Đo nhiệt độ trong các ứng dụng nghiên cứu.

• Các loại cặp nhiệt điện phổ biến: 

  • Loại K (NiCr-NiAl): Phổ biến nhất, giá thành rẻ.

  • Loại J (Fe-CuNi): Dải đo hẹp hơn loại K, giá thành rẻ.

  • Loại T (Cu-CuNi): Độ chính xác cao ở nhiệt độ thấp.

  • Loại E (NiCr-Constantan): Độ nhạy cao.

  • Loại N (NiCrSi-NiSi): Ổn định ở nhiệt độ cao.

  • Loại S (PtRh-Pt): Độ chính xác cao, dùng cho nhiệt độ cao.

  • Loại R (PtRh-Pt): Tương tự loại S.

  • Loại B (PtRh-PtRh): Dùng cho nhiệt độ rất cao.

5.2. Nhiệt điện trở (RTD - Resistance Temperature Detector)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ.

• Ưu điểm:  

  • Độ chính xác cao.

  • Tính ổn định tốt.

  • Dải đo rộng (từ -200°C đến 850°C).

• Nhược điểm: 

  • Giá thành cao hơn cặp nhiệt điện.

  • Cần nguồn điện ngoài để hoạt động.

• Ứng dụng:  

  • Đo nhiệt độ trong công nghiệp.

  • Đo nhiệt độ trong phòng thí nghiệm.

  • Đo nhiệt độ trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

• Các loại RTD phổ biến: 

  • Pt100: Phổ biến nhất, điện trở 100Ω ở 0°C.

  • Pt500: Điện trở 500Ω ở 0°C.

  • Pt1000: Điện trở 1000Ω ở 0°C.

5.3. Thermistor

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn theo nhiệt độ.

• Ưu điểm:  

  • Độ nhạy cao.

  • Giá thành rẻ.

• Nhược điểm: 

  • Dải đo hẹp (thường từ -50°C đến 250°C).

  • Độ chính xác không cao bằng RTD.

  • Tính phi tuyến tính.

• Ứng dụng:  

  • Đo nhiệt độ trong các thiết bị điện tử.

  • Đo nhiệt độ trong các ứng dụng đo lường.

5.4. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn (Semiconductor Temperature Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên sự thay đổi điện áp hoặc dòng điện của diode hoặc transistor theo nhiệt độ.

• Ưu điểm:  

  • Kích thước nhỏ gọn.

  • Độ chính xác tương đối cao.

  • Tích hợp dễ dàng vào mạch điện tử.

• Nhược điểm: 

  • Dải đo hẹp.

  • Độ bền không cao bằng các loại cảm biến khác.

• Ứng dụng:  

  • Đo nhiệt độ trong các thiết bị điện tử.

  • Đo nhiệt độ môi trường.

5.5. Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại (Infrared Temperature Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên bức xạ hồng ngoại của vật thể.

• Ưu điểm:  

  • Đo nhiệt độ từ xa, không cần tiếp xúc.

  • Thời gian đáp ứng nhanh.

• Nhược điểm: 

  • Độ chính xác không cao.

  • Bị ảnh hưởng bởi môi trường.

• Ứng dụng:  

  • Đo nhiệt độ bề mặt vật thể.

  • Đo nhiệt độ trong các ứng dụng công nghiệp.

6. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến nhiệt độ

6.1. Ưu điểm

• Đo lường nhiệt độ: Tất cả các loại cảm biến nhiệt độ đều có chức năng chính là đo lường nhiệt độ, cho phép người dùng quan sát và theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của môi trường hoặc đối tượng.

• Chuyển đổi tín hiệu: Cảm biến nhiệt độ chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành một tín hiệu vật lý (thường là tín hiệu điện), giúp dễ dàng xử lý và hiển thị thông tin nhiệt độ.

• Ứng dụng đa dạng: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp, nghiên cứu khoa học đến đời sống hàng ngày.

6.2. Nhược điểm

• Sai số: Mọi cảm biến nhiệt độ đều có một mức độ sai số nhất định, có nghĩa là giá trị đo được có thể khác biệt so với giá trị thực tế.

• Giới hạn đo: Mỗi loại cảm biến nhiệt độ có một phạm vi đo nhất định, không thể đo được nhiệt độ vượt quá giới hạn này.

• Yêu cầu bảo trì: Để đảm bảo độ chính xác và tuổi thọ, cảm biến nhiệt độ cần được bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ.

• Ảnh hưởng bởi môi trường: Một số loại cảm biến nhiệt độ có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm, bụi bẩn, hoặc hóa chất.

Ngoài ra, một số nhược điểm khác có thể kể đến như:

• Thời gian đáp ứng: Cảm biến cần một khoảng thời gian nhất định để phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ.

• Độ bền: Một số loại cảm biến có thể không bền và dễ bị hư hỏng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

• Giá thành: Giá thành của cảm biến nhiệt độ có thể khác nhau tùy thuộc vào loại và chất lượng.

7. Những hãng cảm biến nhiệt độ nổi tiếng

7.1. Samil

Samil là một thương hiệu đến từ Hàn Quốc, chuyên sản xuất các loại cảm biến, bao gồm cả cảm biến áp suất. Cảm biến áp suất Samil có độ chính xác cao, độ bền tốt và giá cả phải chăng. Các sản phẩm của Samil được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: cơ khí, chế tạo, điện tử, và tự động hóa. 

7.2. Omron

Là một tập đoàn đa quốc gia của Nhật Bản, chuyên sản xuất các thiết bị điện tử và tự động hóa. Cảm biến áp suất Omron có chất lượng cao, độ tin cậy tốt và được tích hợp nhiều tính năng thông minh. Các sản phẩm của Omron được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: sản xuất, chế tạo, y tế, và giao thông vận tải.

7.3. Conotec

Là một công ty của Hàn Quốc, chuyên sản xuất các loại cảm biến, bao gồm cả cảm biến áp suất. Cảm biến áp suất Conotec có độ chính xác cao, độ bền tốt và khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt. Các sản phẩm của Conotec được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: dầu khí, hóa chất, và năng lượng.

7.4. Fotek

Fotek là một thương hiệu đến từ Đài Loan, chuyên sản xuất các loại cảm biến và thiết bị tự động hóa. Cảm biến nhiệt độ Fotek có nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng. Các sản phẩm của Fotek có giá thành cạnh tranh, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Tại sao nên mua cảm biến nhiệt độ tại Công ty TNHH Điện Tự Động Hưng Việt? 

Vì sao nên mua tại Hưng Việt Automation? Vì Hưng Việt Automation luôn bán hàng chính hãng, hàng luôn có sẵn số lượng lớn, giá sỉ, giao hàng nhanh, bảo hành theo chính sách hãng. Quý khách hàng quan tâm đến sản phẩm cảm biến nhiệt độ hãy gọi ngay số hotline 0915 400 880 hoặc truy cập vào website https://hungvietautomation.com. Công ty TNHH Điện Tự Động Hưng Việt, là nhà phân phối sản phẩm cảm biến nhiệt độ hàng đầu tại Việt Nam.

Không chỉ cung cấp sản phẩm cảm biến nhiệt độ chất lượng cao, Hưng Việt còn là đơn vị đi đầu trong việc cung cấp các giải pháp tự động hóa tổng thể. Chúng tôi hỗ trợ khách hàng từ khâu tư vấn thiết kế, lựa chọn sản phẩm, thi công lắp đặt đến bảo trì, sửa chữa.